mgssuvestВестник МГСУVestnik MGSU1997-09352304-6600Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)10.22227/1997-0935.2026.3.399-410mgssuvest-930Research ArticleСтроительное материаловедениеConstruction material engineeringВлияние полого и плотного заполнителя на реологию самоуплотняющихся бетонных смесейThe effect of hollow and dense aggregates on the rheology of self-compacting concretehttps://orcid.org/0009-0004-0193-1904ЕпихинС. Д.EpikhinS. D.

Сергей Дмитриевич Епихин — аспирант, преподаватель, кафедра строительного материаловедения

129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26

РИНЦ AuthorID: 1168083, ResearcherID: JHT-0817-2023

Sergey D. Epikhin — postgraduate student, lecturer, Department of Building Materials Science

26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337

RSCI AuthorID: 1168083, ResearcherID: JHT-0817-2023

epikhinsd@mgsu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7807-688XИноземцевА. С.InozemtcevA. S.

Александр Сергеевич Иноземцев — доктор технических наук, доцент, доцент кафедры строительного материаловедения

129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26

Scopus: 55889834500, ResearcherID: K-6341-2013

Aleksandr S. Inozemtcev — Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of Department of Building Materials Science

26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337

Scopus: 55889834500, ResearcherID: K-6341-2013

InozemcevAS@mgsu.ruНациональный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ)РоссияMoscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)Russian Federation202630032026213399410Copyright © Епихин С.Д., Иноземцев А.С., 20262026Епихин С.Д., Иноземцев А.С.Epikhin S.D., Inozemtcev A.S.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnikmgsu.ru/jour/article/view/930Введение

Введение. Строительство нуждается в новых бетонах. Популярность набирают самоуплотняющиеся бетоны (СУБ). Преимуществом СУБ является высокая подвижность, поэтому акцент ставится на их реологических свойствах. Развитие технологии продолжается в легких самоуплотняющихся бетонах (ЛСУБ), сочетающих высокую подвижность и низкую плотность. Изучение ЛСУБ акцентируется на влиянии рецептуры на свойства смеси. Цель исследования — изучение влияния соотношения сухих компонентов на реологические свойства ЛСУБ на полых микросферах.

Материалы и методы

Материалы и методы. Объектом исследования приняты ЛСУБ на полых микросферах. Соотношение сухих компонентов менялось в зависимости от целевой плотности бетона. Состав включает: портландцемент, керамические микросферы, кремнеземистую добавку, фракционный песок (Пф), кварцевую муку (Пм), гиперпластификатор и воду. Количество воды и концентрация пластификатора приняты постоянными: 0,5 и 1,4 % соответственно. Получены результаты исследований реологических характеристик ЛСУБ. Ключевые реологические параметры — напряжение сдвига и вязкость.

Результаты

Результаты. Бетонные смеси плотностью 1400 кг/м3 имеют дилатантный характер течения вне зависимости от соотношения Пм/Пф. При плотности 1500 и 1600 кг/м3 характер течения сменяется на псевдопластичный при Пм/Пф == 25/75. Показана возможность управления типом течения тяжелых бетонов изменением Пм/Пф. Разница течения между легкими и тяжелыми бетонными смесями отражается на зависимостях напряжения сдвига и вязкости от Пм/Пф.Увеличение Пм повышает напряжения сдвига и вязкость у ЛСУБ, у тяжелых составов наблюдается смена нисходящей зависимости на восходящую в диапазоне Пм/Пф = 25/75–75/25 при разных скоростях сдвига.

Выводы

Выводы. Представлена возможность изменения реологического характера течения легких и тяжелых смесей при изменении исследуемых факторов. Выполнен сравнительный анализ реологических кривых с использованием уравнения Оствальда – Вейля для тяжелых и легких бетонных смесей. Рассмотрена роль дисперсности минерального заполнителя и полых микросфер в управлении реологическими свойствами исследуемых ЛСУБ.

Introduction

Introduction. Construction needs new concrete. Self-compacting concretes (SCC) are gaining popularity. The advantage of SCC is high mobility, so the emphasis is on their rheological properties. The technology continues to develop in lightweight self-compacting concretes, that combines high mobility and low density. The study of LWSCC (Light-weight self-compacting concrete) focuses on the effect of the formulation on the properties of the mixture. The purpose of this study is to investigate the effect of the ratio of dry components on the rheological properties of LWSCC on hollow microspheres.

Materials and methods

Materials and methods. The object of the study is LWSCC on hollow microspheres. The ratio of dry components varied depending on the target concrete density. The composition includes: Portland cement, ceramic hollow microspheres, silica additive, fractional sand (Sf), quartz powder (Sp), hyperplasticizer and water. The amount of water and the concentration of plasticizer are assumed to be constant: 0.5 and 1.4 %, respectively. The results of studies of the rheological characteristics of LWSCC were obtained. The key rheological parameters are shear stress and viscosity.

Results

Results. Concrete mixtures with a density of 1,400 kg/m3 have a dilatant flow pattern regardless of the Sp/Sf ratio. At densities of 1,500 and 1,600 kg/m3, the flow pattern changes to pseudoplastic at Sp/Sf = 25/75. The possibility of controlling the type of flow of heavy concrete by changing the Sp/Sf is shown. The difference in flow between lightweight and heavy concrete mixtures is reflected in the dependences of shear stress and viscosity on Sp/Sf. An increase in Sp increases the shear stresses and viscosity of LWSCC, for heavy compositions, a downward-to-upward relationship is observed in the range of Sp/Sf = 25/75–75/25 at different shear rates.

Conclusions

Conclusions. The possibility of changing the rheological character of the flow of lightweight and heavy mixtures with changes in the studied factors is shown. A comparative analysis of rheological curves using the Ostwald – Weil equation for heavy and light concrete mixtures has been performed. The role of the dispersion of mineral aggregate and hollow microspheres in controlling the rheological properties of the studied LWSCC is considered.

самоуплотняющиеся бетонные смесиполый заполнительмелкозернистый бетонреологиянапряжение сдвигавязкостьуравнение Оствальда – Вейляпсевдопластическое течениедилатантные теченияlightweight self-compacting concretehollow aggregatesfine-grained concreterheologyshear stressesviscosityrheologyOstwald – Weil equationpseudoplastic flowdilatant flowДанная работа выполняется в рамках реализации Программы развития федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет» на 2025–2036 годы. Работа финансировалась Министерством науки и высшего образования РФ, проект № FSWG-2026-0003.This work is carried out as part of the development program of the Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education “National Research Moscow State University of Civil Engineering” for 2025–2036. The work was funded by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation, project No. FSWG-2026-0003.ReferencesУсова А.В. Современные бетоны в строительстве и их применение // Тенденции развития науки и образования. 2021. № 74–4. С. 102–105. DOI: 10.18411/lj-06-2021-149. EDN HDJONR.Usova A.V. Modern concretes in construction and their application. Trends in the development of science and education. 2021; 74-4:102-105. DOI: 10.18411/lj-06-2021-149. EDN HDJONR. (rus.).Рыльская К.А., Ничинский А.Н. Способы модификации свойств бетонной смеси и тяжелого бетона // Актуальные вопросы современной науки : сб. ст. по мат. XX Междунар. науч.-практ. конф. 2019. С. 193–197. EDN HPHXMJ.Rylskaya K.A., Nichinsky A.N. Methods of mo-dification of properties of concrete mix and heavy concrete. Actual issues of modern science : collection of articles based on the materials of the XX international scientific and practical conference. 2019; 193-197. EDN HPHXMJ. (rus.).Кравцов А.В., Цыбакин С.В. Опыт применения химических добавок пластифицирующего действия на основе поликарбоксилатов в бетонах // Труды Костромской государственной сельскохозяйственной академии. 2015. С. 50–55. EDN VZCXRL.Kravtsov A.V., Tsybakin S.V. The usage of the polycarboxylate based chemical plasticizing admixtures in the concrete. Proceedings of the Kostroma State Agricultural Academy. 2015; 50-55. EDN VZCXRL. (rus.).Соловьев А.К., Соловьев К.А., Стекольников Н.В. Самоуплотняющийся бетон в архитектурных конструкциях // Архитектура и современные информационные технологии. 2018. № 2 (43). С. 171–184. EDN UORRCZ.Solovyev A.K., Solovyov K.A., Stekolnikov N.V. Self-compacting concrete in architectural structures. Architecture and Modern Information Technologies. 2018; 2(43):171-184. EDN UORRCZ. (rus.).Соргутов И.В., Иванов П.Ю., Крюкова О.В. Применение самоуплотняющихся бетонов в строительстве монолитных зданий и сооружений в РФ // Системные технологии. 2021. № 3 (40). С. 14–20. EDN MGMXHQ.Sorgutov I.V., Ivanov P.Y., Kryukova O.V. The use of self-compacting concrete in the construction of monolithic buildings and structures in the Russian Federation. System Technologies. 2021; 3(40):14-20. EDN MGMXHQ. (rus.).Мовсисян А.М. Влияние применения самоуплотняющегося бетона в монолитных конструкциях на эффективность возведения строительного объекта // Современные научные исследования и инновации. 2024. № 2 (154). EDN UKGYLK.Movsisyan A.M. The influence of the use of Self-compacting concrete in monolithic structures on the effectiveness of the construction of a construction site. Modern Scientific Researches and Innovations. 2024; 2(154). EDN UKGYLK. (rus.).Федюк Р.С., Мочалов А.В., Лесовик В.С., Гридчин А.М., Фишер Х.Б. Композиционные вяжущие и самоуплотняющиеся фибробетоны для защитных сооружений // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2018. № 7. С. 77–85. DOI: 10.12737/article_5b4f02bf93df52.30110991. EDN XVLQJV.Fedyuk R.S., Mochalov A.V., Lesovik V.S., Gridchin A.M., Fisher H.B. Composite bonding and self-fitting fibrobetons for protective facilities. Bulletin of Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov. 2018; 7:77-85. DOI: 10.12737/article_5b4f02bf93df52.30110991. EDN XVLQJV. (rus.).Мозгалев К.М., Головнев С.Г. Самоуплотняющиеся бетоны: возможности применения и свойства // Академический вестник УралНИИпроект РААСН. 2011. № 4. С. 55–60. EDN ONJNAZ.Mozgalev K.M., Golovnev S.G. Self-compacting concretes: application possibilities and properties. Academic Bulletin of the UralNIIproekt RAASN. 2011; 4:55-60. EDN ONJNAZ. (rus.).Фаликман В.Р., Денискин В.В., Калашников О.О., Сорокин В.Ю. Отечественный опыт производства и применения самоуплотняющегося бетона // Национальная ассоциация ученых. 2015. № 2–3 (7). С. 68–73. EDN YMGQDD.Falikman V.R., Deniskin V.V., Kalashnikov O.O., Sorokin V.Y. Domestic experience in the production and use of self-compacting concrete. National Association of Scientists. 2015; 2-3(7):68-73. EDN YMGQDD. (rus.).Батяновский Э.И., Бондарович А.И., Калиновская Н.Н., Рябчиков П.В. Самоуплотняющийся бетон и технология бетонирования фундаментного массива с использованием 9000 кубических метров бетона // Наука и техника. 2021. Т. 20. № 4. С. 329–337. DOI: 10.21122/2227-1031-2021-20-4-329-337. EDN RIPRJM.Batyanovskiy E.I., Bondarovich A.I., Kalinovskaya N.N., Ryabchikov P.V. Self-compacting concrete and concreting technology for foundation block using 9000 cubic meters of concrete. Science and Technique. 2021; 20(4):329-337. DOI: 10.21122/2227-1031-2021-20-4-329-337. EDN RIPRJM. (rus.).Mandal R., Panda S.K., Nayak S. Evaluation of the rheological properties of self-compacting recycled aggregate concrete // Materials Today: Proceedings. 2023. Vol. 93. Pp. 170–175. DOI: 10.1016/j.matpr.2023.07.114Mandal R., Panda S.K., Nayak S. Evaluation of the rheological properties of self-compacting recycled aggregate concrete. Materials Today: Proceedings. 2023; 93:170-175. DOI: 10.1016/j.matpr.2023.07.114Ерофеев В.Т., Санягина Я.А., Ерофеева И.В., Максимова И.Н. Подбор составов декоративно-отделочных порошково-активированных бетонов с зернистой фактурой поверхности по реологическим свойствам // Региональная архитектура и строительство. 2022. № 3 (52). С. 16–31. DOI: 10.54734/20722958_2022_3_16. EDN OVYJCE.Erofeev V.T., Sanyagina Ya.A., Erofeeva I.V., Maksimova I.N. Selection of compositions of decorative finishing powder-activated concrete with a grain texture surface by rheological properties. Regional Architecture and Engineering. 2022; 3(52):16-31. DOI: 10.54734/20722958_2022_3_16. EDN OVYJCE. (rus.).Jiao D., Shi C., Yuan Q., An X., Liu Y., Li H. Effect of constituents on rheological properties of fresh concrete : а review // Cement and Concrete Composites. 2017. Vol. 83. Pp. 146–159. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2017.07.016Jiao D., Shi C., Yuan Q., An X., Liu Y., Li H. Effect of constituents on rheological properties of fresh concrete : а review. Cement and Concrete Composites. 2017; 83:146-159. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2017.07.016Mandal R., Panda S.K., Nayak S. Rheology of Concrete: Critical Review, recent Advancements, and future prospectives // Construction and Building Materials. 2023. Vol. 392. P. 132007. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2023.132007Mandal R., Panda S.K., Nayak S. Rheology of Concrete: Critical Review, recent Advancements, and future prospectives. Construction and Building Materials. 2023; 392:132007. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2023.132007Kaufmann J., Winnefeld F., Hesselbarth D. Effect of the addition of ultrafine cement and short fiber reinforcement on shrinkage, rheological and mechanical properties of Portland cement pastes // Cement and Concrete Composites. 2004. Vol. 26. Issue 5. Pp. 541–549. DOI: 10.1016/S0958-9465(03)00070-2Kaufmann J., Winnefeld F., Hesselbarth D. Effect of the addition of ultrafine cement and short fiber reinforcement on shrinkage, rheological and mechanical properties of Portland cement pastes. Cement and Concrete Composites. 2004; 26(5):541-549. DOI: 10.1016/S0958-9465(03)00070-2Zhang X., Han J. The effect of ultra-fine admixture on the rheological property of cement paste // Cement and Concrete Research. 2000. Vol. 30. Issue 5. Pp. 827–830. DOI: 10.1016/S0008-8846(00)00236-2Zhang X., Han J. The effect of ultra-fine admixture on the rheological property of cement paste. Cement and Concrete Research. 2000; 30(5):827-830. DOI: 10.1016/S0008-8846(00)00236-2Lee S.H., Kim H.J., Sakai E., Daimon M. Effect of particle size distribution of fly ash–cement system on the fluidity of cement pastes // Cement and Concrete Research. 2003. Vol. 33. Issue 5. Pp. 763–768. DOI: 10.1016/S0008-8846(02)01054-2Lee S.H., Kim H.J., Sakai E., Daimon M. Effect of particle size distribution of fly ash–cement system on the fluidity of cement pastes. Cement and Concrete Research. 2003; 33(5):763-768. DOI: 10.1016/S0008-8846(02)01054-2Chen J.J., Kwan A.K.H. Superfine cement for improving packing density, rheology and strength of cement paste // Cement and Concrete Composites. 2012. Vol. 34. Issue 1. Pp. 1–10. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2011.09.006Chen J.J., Kwan A.K.H. Superfine cement for improving packing density, rheology and strength of cement paste. Cement and Concrete Composites. 2012; 34(1):1-10. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2011.09.006Li T., Liu J. Effect of aggregate size on the yield stress of mortar // Construction and Building Materials. 2021. Vol. 305. P. 124739. DOI: 10.1016/j.conbuil-dmat.2021.124739Li T., Liu J. Effect of aggregate size on the yield stress of mortar. Construction and Building Materials. 2021; 305:124739. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2021.124739Benaicha M., Jalbaud O., Alaoui A.H., Burt-schell Y. Porosity effects on rheological and mechanical behavior of self-compacting concrete // Journal of Building Engineering. 2022. Vol. 48. P. 103964. DOI: 10.1016/j.jobe.2021.103964Benaicha M., Jalbaud O., Alaoui A.H., Burt-schell Y. Porosity effects on rheological and mechanical behavior of self-compacting concrete. Journal of Building Engineering. 2022; 48:103964. DOI: 10.1016/j.jobe.2021.103964Adhikary S.K., Ashish D.K., Sharma H., Patel J., Rudzionis Z., Al-Ajamee M. et al. Lightweight self-compacting concrete : а review // Resources, Conservation & Recycling Advances. 2022. Vol. 15. P. 200107. DOI: 10.1016/j.rcradv.2022.200107Adhikary S.K., Ashish D.K., Sharma H., Patel J., Rudzionis Z., Al-Ajamee M. et al. Lightweight self-compacting concrete : а review. Resources, Conservation & Recycling Advances. 2022; 15:200107. DOI: 10.1016/j.rcradv.2022.200107Kumar P., Pasla D., Saravanan T.J. Self-compacting lightweight aggregate concrete and its properties : а review // Construction and Building Materials. 2023. Vol. 375. Р. 130861. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2023.130861Kumar P., Pasla D., Saravanan T.J. Self-compacting lightweight aggregate concrete and its properties : а review. Construction and Building Materials. 2023; 375:130861. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2023.130861Kumar P., Dinakar P., Saravanan T.J. Development and performance analysis of structural lightweight aggregate self-compacting concrete: A sustainable solution // Process Safety and Environmental Protection. 2025. Vol. 197. P. 107052. DOI: 10.1016/j.psep.2025.107052Kumar P., Dinakar P., Saravanan T.J. Development and performance analysis of structural lightweight aggregate self-compacting concrete: A sustainable solution. Process Safety and Environmental Protection. 2025; 197:107052. DOI: 10.1016/j.psep.2025.107052Kuttagola I., Prashanth M.H. Development and performance evaluation of self-compacting lightweight alkali-activated concrete incorporating hydroton clay balls // Structures. 2025. Vol. 71. P. 108124. DOI: 10.1016/j.istruc.2024.108124Kuttagola I., Prashanth M.H. Development and performance evaluation of self-compacting lightweight alkali-activated concrete incorporating hydroton clay balls. Structures. 2025; 71:108124. DOI: 10.1016/j.istruc.2024.108124Palacio A.J., Raggiotti B.B., Rougier V.C. Development and experimental verification of a design method for steel fibre-reinforced high strength lightweight self-compacting concrete // Construction and Building Materials. 2024. Vol. 453. P. 139012. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2024.139012Palacio A.J., Raggiotti B.B., Rougier V.C. Development and experimental verification of a design method for steel fibre-reinforced high strength lightweight self-compacting concrete. Construction and Building Materials. 2024; 453:139012. DOI: 10.1016/j.con-buildmat.2024.139012Aslani F., Kelin J. Assessment and development of high-performance fibre-reinforced lightweight self-compacting concrete including recycled crumb rubber aggregates exposed to elevated temperatures // Journal of Cleaner Production. 2018. Vol. 200. Pp. 1009–1025. DOI: 10.1016/j.jclepro.2018.07.323Aslani F., Kelin J. Assessment and development of high-performance fibre-reinforced lightweight self-compacting concrete including recycled crumb rubber aggregates exposed to elevated temperatures. Journal of Cleaner Production. 2018; 200:1009-1025. DOI: 10.1016/j.jclepro.2018.07.323Wang Z., Zhang H., Wang Z., Yu O. Rheological and mechanical performances of ultralightweight expanded polystyrene concrete: Synergistic effect of accelerator and multiscale fibers // Construction and Building Materials. 2025. Vol. 476. P. 141265. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2025.141265Wang Z., Zhang H., Wang Z., Yu O. Rheological and mechanical performances of ultralightweight expanded polystyrene concrete: Synergistic effect of accelerator and multiscale fibers. Construction and Building Materials. 2025; 476:141265. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2025.141265Патент RU № 2548303 C1. Высокопрочный легкий фибробетон / Королев Е.В., Иноземцев А.С.; заявл. от 11.04.2014. Опубл. 20.04.2015. EDN ZFGSHZPatent RU No. 2548303 C1. High-strength lightweight fiber-reinforced concrete / Korolev E.V., Inozemtsev A.S.; declared 11.04.2014. Publ. 20.04.2015. EDN ZFGSHZИноземцев А.С., Королев Е.В. Высокопрочные легкие бетоны : монография. СПб. : СПбГАСУ, 2022. 192 с. EDN UCJRAZ.Inozemtsev A.S., Korolev E.V. High-strength lightweight concretes : monograph. St. Petersburg, SPbGASU, 2022; 192. EDN UCJRAZ. (rus.).Епихин С.Д., Иноземцев А.С. Реологические свойства самоуплотняющихся легких бетонных смесей на полых микросферах // Строительство: наука и образование. 2024. Т. 14. № 1. С. 135–148. DOI: 10.22227/2305-5502.2024.1.9. EDN UHPUAB.Epikhin S.D., Inozemtsev A.S. Rheological properties of self-compacting lightweight concrete mixtures on hollow microspheres. Construction: Science and Education. 2024; 14(1):135-148. DOI: 10.22227/2305-5502.2024.1.9. EDN UHPUAB. (rus.).Епихин С.Д., Иноземцев А.С. Физико-механические свойства самоуплотняющихся легких бетонов на полых микросферах // Современное строительство и архитектура. 2024. № 11 (54). DOI: 10.60797/mca.2024.54.5. EDN GNNJGQ.Epikhin S.D., Inozemtcev A.S. Physical and mechanical properties of self-compacting lightweight concretes on hollow microspheres. Modern Construction and Architecture. 2024; 11(54). DOI: 10.60797/mca.2024.54.5. EDN GNNJGQ. (rus.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.